Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Бызова, Н. Л. Рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы

.pdf
Скачиваний:
8
Добавлен:
19.10.2023
Размер:
7.53 Mб
Скачать

ЮЕ УПРАВЛЕНИЕ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ СЛУЖБЫ ПРИ СОВЕТЕ МИНИСТРОВ СССР

:ТИТУТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ

МЕТЕОРОЛОГИИ

Н. Л. ВЫЗОВА

РАССЕЯНИЕ ПРИМЕСИ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

УДК Э5>1. 531. 8

ZD fOC

В книге рассматривается рассеяние пассивной при­ меси, выпущенной точечным источником, расположен­ ным в пограничном слое атмосферы. Приведены в кратком изложении основные модели турбулентной диффузии, обсуждаются их конкретные варианты для применения при решении поставленной задачи.

По результатам измерений получены связи между параметрами рассеяния примеси и характеристиками состояния пограничного слоя атмосферыДается обоб­ щение результатов экспериментальных работ, прове­ денных в натурных условиях.

Предназначена для научных сотрудников и инже­ неров, занимающихся прикладными задачами, связан­ ными с рассеянием п,римеси в атмосфере.

Diffusion of passive substances from a point source, situated in the surface boundary layer, is considered. A brief account of the main turbulent diffusion models is given. Their particular variants for use in solving the problem raised are discussed.

From the measurement data the relations between diffusion parameters and boundary layer characte­ ristics are determined. Summary of the experimental re­ sults obtained in the field is given.

The

book may be of interest to research workers

and

to

those concerned with the applied problems re­

lated

to

diffusion.

©

Институт экспериментальной метеорологии (ИЭМ), 1974.

Р

297 - 254

170-73

069(02) — 74

 

 

 

 

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

 

 

 

 

. 'Проблема

 

загрязнения атмосферы выбросами промышленных

 

едприятий

ставит

перед

 

метеорологами ряд

задач,

связанных

с

оценками

и

расчетами

рассеяния

в

атмосфере

загрязняющих

et

веществ. Аналогичные

вопросы

 

возникают

также

при наме-

р

иных применениях

газов

и

аэрозолей с различными

целями.

 

Предметом

исследования

настоящей

работы

является

раосея-

н

? химически

и термодинамически

пассивной,

невесомой или

г

звитационио

оседающей

примеси

от

точечного

или

линейного

 

точника

в диапазоне .горизонтальных

расстояний

до

10—20 км.

 

сточник

предполагается

расположенным в нижнем

слое

атмос-

• еры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Целью

книга является

 

обобщение

с точки зрения современ-

 

>гх теоретических

представлений

результатов

обширных

нагур-

n >ix экспериментов,

выполненных

с

помощью

высотной метеоро-

^ эпической

мачты

Института

экспериментальной

метеорологии,

п включением аналогичных результатов, опубликованных в оге- г*ственной и зарубежной литературе.

Теоретические основы современных моделей турбулентной диффузии обстоятельно излагаются в ряде монографий, посвя-

ценных

исследованиям

турбулентных

течений: А. С.

Монина

А. М. Яглома

 

(1965,

1967), Хинце (1959), Ст. Панчева

(1967)

других (см. также Монин (1959, I960)). Основные представ-

ния,

рабочие

модели

и формулы, используемые

зарубежными

-еными, изложены в недавно вышедшей

в русском

переводе

•inre «Метеорология

и

атомная

энергия»

(МАЭ, 1968).

Поэтому

' предлагаемой

книге

основные

методы

описания

диффузии

з / о ж е н ы в основном

с точки зрения их применения для

пра'кти-

lfcCKHX

расчетов

и

сравнения

с результатами

опытов,

часто

•в упрощенном

виде и без обсуждения принципиальных

вопросов.

'чтор не ставил также своей целью составление исчерпывающей блиографии, поскольку в упомянутых изданиях можно найти актически все необходимые названия.

Книга состоит из пяти глав. В гл. 1 изложены теоретические еновы двух основных методов описания диффузии, комбинация

оторых

используется в

последующих главах: так

называемого

. гатистического метода,

использующего

характеристики

среды

•в переменных Лагранжа,

и полуэмпирического уравнения

турбу­

лентной

диффузии. Некоторые сведения

о других

моделях

(для

3

учета конечности скоро^_^р.б^л^^ы^щ^&^}щ^'

и

градие;

среднего" тёчё!?йТ)''''"приведены в

очень

слотом

виде; в

последу

щих" разделах они не используются.

 

 

,

Здесь же рассматриваются

связи

между

характеристика

турбулентности в координатах Лагранжа и Эйлера, необходим для практических расчетов. Приведен, в частности, обзор тео] тических и экспериментальных оценок отношения ла.гранже и эйлерова интегральных временных масштабов турбулентное

Эта

характеристика, которая

широко

используется

в зарубе

ных

работах, практически

является

достаточно

сложной д

определения и сильно зависит от состояния турбулентности. .

Для применения изложенных представлений при расчет рассеяния примеси в пограничном слое атмосферы необход^ построить ряд переходных положений и связей, которые поз!

лили

бы

в

конечном итоге

рекомендовать доступные

слосо!

измерения необходимых для расчетов характеристик.

i

В

гл.

2

рассматриваются

вопросы выбора пригодных щ

этого конкретных выражений и расчетных схем. Здесь приведу решение некоторых частных задач, возникших в ходе экоп€£ ментальных работ; различные схемы задания профилей скороа ветра и коэффициента турбулентной диффузии в полуэмпйрн

ском уравнении

рассматриваются

с точки

зрения

оптимальнс

выбора для практических применений.

 

 

 

 

Переходы

от

таких

сложных

и плохо

поддающихся

изме"

нию характеристик, как

профили

коэффициента

ту.рбулен™.

диффузии и

лагранжева

корреляционная

функция cKop/^v'

к более простым и легко измеряемым метеорологическим

\#,?

теристикам рассматриваются в гл. 3. Обзор и

сравнение

*

собой имеющихся

характеристик

устойчивости

приземного

граничного слоя атмосферы позволили установить между г. ч эмпирическое соответствие. Особое внимание уделяется выбА

практически

применяемых

характеристик

и

критериев, в

тг

числе таких,

которые определяются

с

помощью

простей!^

метеорологических

измерений

сетевого типа, а

также

сравнегч

их между собой.

 

 

 

 

 

 

ц

Обобщаются

результаты

измерения

 

метеорологических

рактеристик,

необходимых для расчетов

диффузии, в

ЗОСЬметд

вом слое, рассматриваются способы расчета их с помощью- с<|

ременных

теорий и

схем пограничного и

приземного слоя.

,1

В гл. 4

приведен

обзор экспериментов,

проведенных, в Hi

'

ных условиях для исследования .рассеяния примеси от точечн или линейного источника, расположенного в нижнем слое anj сферы.

Специальная серия опытов, проведенных в ИЭМе, осж смысл которых заключался в том, что измерения метеоролог ских и турбулентных характеристик в фиксированной точке ?.

сферы производились одновременно с выпуском и фотографии->ь нием дымовых струй, позволила сравнить турбулентные ха : . теристики, полученные одновременно двумя независимыми < собами, и определить пределы применимости рабочих моде -

4

I

1 Опыты с оседающей примесью, проведенные в ИЭМе, описаны лее подробно. Этот массив результатов выгодно отличается ^вестной полнотой, широким разнообразием метеорологических [ловий, широким диапазоном высот источника, а также набором шхронно проведенных парных опытов.

| Глава

5 посвящена анализу

и интерпретации

результатов

ibiTOB,

которые проводились

в двух планах: с

точки зрения

(тветствия с теоретическими представлениями и с точки зрения

Прощения полученных

соотношений

для

практических

приме-

:ний.

 

 

 

 

 

 

'

Результаты зарубежных авторов

были

введены в общий мае-

i:;

в

виде обобщенных

зависимостей,

заимствованных

в книге

МЭ,

1968). 1

 

 

 

 

 

Автор признателен академику Е.

К.

Федорову, поручившему

[у проведение работ по изучению рассеяния примеси с помощью

Потной

метеорологической мачты. Серии трудоемких опытов

!<мга быть выполнены только усилиями

большого коллектива,

••автор

счастлив выразить свою

благодарность

всем сотрудни­

ки, так

или иначе принимавшим

участие

в этой

работе, в осо-

нности своим соавторам по отдельным ее разделам: А. К. Алекндровой, Ю. С. Осипову, Е. К. Гаргеру и Г. Б. Машковой, (тор признателен В. Н. Иванову за постоянное сотрудничество

[обсуждение

многих вопросов, И. Л. Каролю — за вниматель-

 

прочтение

первого варианта рукописи и ценные советы, а так-

'f

'иреюции

института за предоставленную возможность завер-

v

|. работу и моральную поддержку.

 

С п II с о к о с н о в н ы х о б о з н а ч е н и й

Аг

=

среднеквадратичная пульсация

i-и компоненты

скорости ветра

при безразличной стратификации,

нормированная

на

у., (3.15).

 

 

АТ

а= — параметр устойчивости (3.14) —главы 3, 4.

av — в выражении (2.2).

К

В = безразмерный параметр диффузии (2.43).

UнН

РВ — его модификация (2.63).

 

В0

— значение

В. при

безразличной

стратификации

Bi,

ВЕ, В'[

— корреляционные

функции

скоростей

в коорди­

 

k (z)

 

натах Лагранжа

и Эйлера (гл. I ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b{z) —

— безразмерный

параметр

диффузии (2.39).

 

U{z)z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bi

значение b{z)

при z=z\ (2.42).

 

 

 

b0

значение

b (г)

при безразличной стратификации.

 

Ьу

безразмерный

параметр

.поперечной

диффузии

 

 

 

в выражения

(2.2) при а = 1 или

(5.24).

 

v„ —

w

,

 

 

 

 

 

 

b — _ £

— безразмерный

параметр

граничного

условия

S

V-

 

(,1.67):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С— константа закона 2/3 для структурной функции скоростей.

 

С, — .константа

линейного

закона

для

структурной

 

С,

 

функции скоростей в координатах Лагранжа.

с-у =

то же для

 

.

,

функции

скоростеи.

 

корреляционном

 

с = %/Ug—.геострофический

коэффициент

трения

(гл. 3).

D'[, DlJ-

— структурные

функции

скоростей в

координатах

 

 

 

Лагранжа

и Эйлера (гл. 1).

 

 

 

 

Е — турбулентный поток тепла в вертикальном на­

Е0

правлении

(гл. 3).

 

 

 

 

 

то же значение в приземном

слое (гл. 3).

 

 

 

•F

касательное напряжение (гл. 3).

 

 

 

 

 

F0

то же в приземном слое

(гл. 3).

 

 

 

/ = 2шб1Пф—

параметр Кориолиса (гл. 3).

 

 

 

 

 

g — ускорение силы тяжести.

 

 

 

 

 

Н

высота источника примеси.

 

 

 

 

 

h

разные вспомогательные высоты.

 

 

/, =

V < q >

 

_

v < ^ > _

интенсивность ./-й

кок-

———

=

 

!—— локальная

'

 

U[z) .

 

U

турбулентной

пульсации.

/, y=il,

2,

3 «ли

 

поненты

 

 

 

 

 

 

 

х,

у, z

индексы при компонентах скорости.

 

 

 

К,

Kt,

Kjj

 

различные обозначения и модификации коэффи­

 

 

 

К

циента турбулентной диффузии.

 

 

 

 

 

средний в слое от 0 до Я коэффициент

верти­

 

 

 

k(z)

 

 

кальной турбулентной диффузии.

 

 

 

 

 

коэффициент вертикальной турбулентной

диф­

 

 

 

 

 

 

фузии, переменный в вертикальном

направлении.

>— частные значения коэффициента турбулентной

диффуаии.

I — масштаб Монина — Обухова (3.3).

/— начальное расстояние между блуждающими ча­ стицами (1.19).

т— показатель степени для профиля скорости ветра (2.35).

 

п

индекс солнечной радиации (гл. 3).

р,

р(х)

— скорость осаждения примеси на

подстилающую

 

 

 

поверхность; плотность

выпадений.

 

р0

максимальное значение

р{х).

 

Q, Q'

мощность источника, полное количество выпу­

 

 

 

щенной примеси.

 

 

 

q,q(x),qt(x),q{x

,у ,z)— концентрация

примеси.

 

 

q0

максимальное значение

q(x)

функции скоро­

R L , R E — нормированные корреляционные

 

Rf

стей.

 

 

 

 

динамическое число Ричардсона (3.1).

 

Ri — число Ричардсона (3.2).

 

 

Ro—

число Россби (с. 91).

 

 

Ге,

гн

пространственные

масштабы.

 

 

5

внешний параметр

устойчивости

(3.6).

 

Т

время действия источника или время осреднения

 

 

 

(главы 2, 4, 5); абсолютная температура (гл. 3).

 

Т.{.— масштаб температуры (3.8).

 

 

t

время.

 

 

 

U, Uit

U (z)

средняя скорость

потока.

 

 

скорость ветра, осредненная в слое от подсти­

 

 

 

лающей поверхности до

Н.

 

Ug — скорость геострофического ветра.

L/ф, t/зоо, Uh— скорость ветра на уровне флюгера, 300 м, h

 

и,щ

компоненты

пульсаций

скорости

в

координатах

 

 

Эйлера.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U, и — вектор скорости в координатах

Эйлера.

 

 

ил

частное значение

U(z)

в (2.35).

 

 

 

 

 

 

Vg

характеристика взаимодействия примеси с гра­

 

 

ничной поверхностью.

 

 

 

 

 

 

 

v, ю-1— компоненты

пульсаций

скорости

в

координатах

 

 

Лагранжа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v вектор скорости

в координатах

Лагранжа.

 

 

— динамическая скорость.

 

 

 

 

 

 

vg

параметр граничного условия (1.63).

 

 

 

 

w

скорость гравитационного оседания частиц при­

 

х

меси.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

координата

(обычно вдоль среднего

потока).

 

 

х — вектор смещения.

 

 

 

 

 

 

 

XL=

Xi — его компоненты.

 

 

 

 

 

 

 

LkL

масштаб сноса (1.49).

 

 

 

 

 

 

 

х0

начальная

координата

(гл. 1);

расстояние

от

 

 

проекции источника до максимума

концентрации

 

 

или плотности выпадений (главы 2—5).

 

xw, Хт, х

вспомогательные

расстояния

(2.65),

(2.66)

и

 

у

(2.77) при определении

х0.

 

 

 

 

 

 

координата.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z — вертикальная координата.

 

 

 

 

 

 

z0

начальная вертикальная координата;

шерохова­

 

 

тость.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zt — высота измерения kx и

ии

 

 

 

 

 

я =

С з / 2

отношение

констант

инерционного

 

интервала

(гл. 1); показатель степени в (2.2).

параметр устойчивости (гл. 3).

р= т£/т:£ — отношение лагранжева и эйлерова временных

масштабов турбулентности.

Г =

— —

градиент

средней

скорости (гл. 1);

гамма-функ-

 

dz

ция.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

faадиабатический градиент температуры.

 

 

Д—

знак разности.

 

 

 

 

 

 

д л Т;

Дд Т

разность

температуры

(или

другой

величины)

 

 

в слое h, Л и др.

 

 

 

 

 

 

 

о—

характеристика

показателя

степени

в

(2.36);

 

 

знак приращения;

числовой

множитель

менее

 

 

единицы.

 

 

 

 

 

 

 

s—

скорость диссипации турбулентной энергии.

 

С

безразмерные аргументы — время

и

расстояние

 

 

(1,49);

вертикальная

координата

в

приземном

 

 

слое (3.17) и др.

 

 

 

 

 

 

 

т]—

различные безразмерные величины.

 

 

 

потенциальная температура.

направление ветра; пульсации направления ветра постоянная Кармана.

масштаб пограничного слоя (3.5).

длина следа (5.9) при б = , 1 .

длина следа (2.8) при произвольном б.

параметр стратификации Монина (3.4)

его градиентный аналог (3.12). безразмерный параметр (2.59).

его модификации и частные значения, безразмерный параметр пограничного слоя (3.27).

безразмерный параметр (2.40).

дисперсии координат диффундирующих частиц (различные модификации и обозначения), время.

лагранжев временной масштаб турбулентности, эйлеров временной масштаб турбулентности.

масштаб времени.

широта места.

коэффициент молекулярной диффузии (1.55). параметр устойчивости приземного слоя (3.9). знак осреднения.

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ